1、第七章 細胞的能量轉換 線粒體和葉綠體線粒體與氧化磷酸化線粒體與氧化磷酸化葉綠體與光合作用葉綠體與光合作用線粒體和葉綠體是半自主性細胞器線粒體和葉綠體是半自主性細胞器線粒體和葉綠體的增殖與起源線粒體和葉綠體的增殖與起源第一節 線粒體與氧化磷酸化線粒體的形態結構線粒體的化學組成及酶的定位氧化磷酸化線粒體與疾病一、線粒體的形態結構線粒體的形態、大小、數量與分布線粒體的超微結構外膜(outer membrane）：含孔蛋白(porin)，通透性較高。內膜（inner membrane）：高度不通透性，向內折疊形成嵴（cristae）。含有與能量轉換相關的蛋白膜間隙（intermembrane spa

2、ce）：含許多可溶性酶、 底物及輔助因子。 基質（matrix）：含三羧酸循環酶系、線粒體基因表達酶系等以及線粒體DNA, RNA，核糖體。執行氧化反應的電子傳遞鏈ATP合成酶線粒體內膜轉運蛋白二、線粒體的化學組成及酶的定位線粒體組分分離方法線粒體的化學組成線粒體酶的定位線粒體的化學組成蛋白質(線粒體干重的6570)脂類(線粒體干重的2530)：磷脂占3/4以上，外膜主要是卵磷脂，內膜主要是心磷脂。線粒體脂類和蛋白質的比值: 0.3:1（內膜）；1:1（外膜） 三、氧化磷酸化線粒體主要功能是進行氧化磷酸化，合成ATP，為細胞生命活動提供直接能量；與細胞中氧自由基的生成、細胞凋亡、細胞的信號轉導

3、、細胞內多種離子的跨膜轉運及電解質穩態平衡的調控有關。氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)的分子基礎氧化磷酸化的偶聯機制化學滲透假說 (Chemiosmotic Hypothesis, Mithchell,1961)質子動力勢的其他作用線粒體能量轉換過程略圖氧化磷酸化的分子基礎氧化磷酸化過程實際上是能量轉換過程，即有機分子中儲藏的能量高能電子質子動力勢ATP氧化(電子傳遞、消耗氧, 放能)與磷酸化(ADP+Pi，儲能) 同時進行，密切偶連，分別由兩個不同的結構體系執行電子傳遞鏈(electron-transport chain）的四種復合物，組成兩種呼吸鏈：NADH

4、呼吸鏈, FADH2呼吸鏈在電子傳遞過程中，有幾點需要說明ATP合成酶（ATP synthase）(磷酸化的分子基礎)電子傳遞鏈的四種復合物(哺乳類)復合物：NADH-CoQ還原酶復合物（既是電子傳遞體又是質子移位體） 組成：含42個蛋白亞基，至少6個Fe-S中心和1個黃素蛋白。 作用：催化NADH氧化，從中獲得2高能電子輔酶Q； 泵出4 H+復合物：琥珀酸脫氫酶復合物（是電子傳遞體而非質子移位體） 組成：含FAD輔基，2Fe-S中心， 作用：催化2低能電子FADFe-S輔酶Q (無H+泵出)復合物：細胞色素bc1復合物（既是電子傳遞體又是質子移位體） 組成：包括1cyt c1、1cyt b、

5、1Fe-S蛋白作用：催化電子從UQH2cyt c；泵出4 H+ （2個來自UQ，2個來自基質） 復合物：細胞色素C氧化酶（既是電子傳遞體又是質子移位體） 組成： 二聚體，每一單體含13個亞基，三維構象， cyt a, cyt a3 ,Cu, Fe 作用：催化電子從cyt c分子O2 形成水，2 H+泵出， 2 H+ 參與形成水在電子傳遞過程中，有幾點需要說明四種類型電子載體：黃素蛋白、細胞色素(含血紅素輔基)、Fe-S中心、輔酶Q。前三種與蛋白質結合，輔酶Q為脂溶性醌。電子傳遞起始于NADH脫氫酶催化NADH氧化，形成高能電子(能量轉化)， 終止于O2形成水。 電 子 傳 遞 方 向 按 氧

6、化 還 原 電 勢 遞 增 的 方 向 傳 遞(NAD+/NAD最低，H2O/O2最高)高能電子釋放的能量驅動線粒體內膜三大復合物(H+-泵)將H+從基質側泵到膜間隙， 形成跨線粒體內膜H+梯度(能量轉化)電子傳遞鏈各組分在膜上不對稱分布ATP合成酶(磷酸化的分子基礎)ATP合成酶的分布分子結構線粒體ATP合成系統的解離與重建實驗證明電子傳遞與ATP合成是由兩個不 同的結構體系執行, F1顆粒具有ATP酶活性工作特點：可逆性復合酶，即既能利用質子電化學梯度儲存的能量合成ATP, 又能水解ATP將質子從基質泵到膜間隙 ATP合成機制Banding Change Mechanism (Boyer

7、1979) 亞單位相對于亞單位旋轉的直接實驗證據氧化磷酸化的偶聯機制化學滲透假說化學滲透假說內容： 電子傳遞鏈各組分在線粒體內膜中不對稱分布，當高能電子沿其傳遞時，所釋放的能量將H+從基質泵到膜間隙，形成H+電化學梯度。在這個梯度驅使下，H+穿過ATP合成酶回到基質，同時合成ATP,電化學梯度中蘊藏的能量儲存到ATP高能磷酸鍵。質子動力勢(proton motive force)支持化學滲透假說的實驗證據該實驗表明： 質子動力勢乃ATP合成的動力 膜應具有完整性 電子傳遞與ATP合成是兩件相關而又不同的事件質子動力勢的其他作用物質轉運產熱：冬眠動物與新生兒的Brown Fat Cell線粒體產

8、生大量熱量第三節 線粒體和葉綠體是半自主性細胞器半自主性細胞器的概念： 自身含有遺傳表達系統(自主性)；但編碼的遺傳信息十分有限，其RNA轉錄、蛋白質翻譯、自身構建和功能發揮等必須依賴核基因組編碼的遺傳信息(自主性有限)。線粒體和葉綠體的線粒體和葉綠體的DNA線粒體和葉綠體的蛋白質合成線粒體和葉綠體的蛋白質合成線粒體和葉綠體蛋白質的運送與組裝線粒體和葉綠體蛋白質的運送與組裝一、線粒體和葉綠體的DNAmtDNA /ctDNA形狀、數量、大小 mtDNA和ctDNA均以半保留方式進行自我復制mtDNA復制的時間主要在細胞周期的S期及G2期，DNA先復制，隨后線粒體分裂。ctDNA復制的時間在G1期

9、。 復制仍受核控制mtDNA /ctDNA形狀、數量、大小雙鏈環狀(除綠藻mtDNA，草履蟲mtDNA)mtDNA大小在動物中變化不大，但在植物中變化較大高等植物，120kbp200kbp；人mtDNA：16,569bp，37個基因(編碼12S,16S rRNA；22種tRNA；13種多肽：NADH脫氫酶7個亞基，cyt b-c1復合物中1個cytb，細胞色素C氧化酶3個亞基， ATP合成酶2個Fo亞基)二、線粒體和葉綠體的蛋白質合成線粒體和葉綠體合成蛋白質的種類十分有限線粒體或葉綠體蛋白質合成體系對核基因組具有依賴性（7-4）不同來源的線粒體基因，其表達產物既有共性，也存在差異參加葉綠體組成

10、的蛋白質來源有種情況：由ctDNA編碼，在葉綠體核糖體上合成；由核DNA編碼，在細胞質核糖體上合成；由核DNA編碼，在葉綠體核糖體上合成。三、線粒體和葉綠體蛋白質的運送與組裝線粒體蛋白質的運送與組裝 定位于線粒體基質的蛋白質的運送 定位于線粒體內膜或膜間隙的蛋白質運送葉綠體蛋白質的運送及組裝第四節 線粒體和葉綠體的增殖與起源線粒體和葉綠體的增殖線粒體和葉綠體的起源一、線粒體和葉綠體的增殖線粒體的增殖：由原來的線粒體分裂或出芽而來。葉綠體的發育和增殖個體發育：由前質體（proplastid）分化而來。 增殖：分裂增殖二、 線粒體和葉綠體的起源內共生起源學說（endosymbiosis hypot

11、hesis)非共生起源學說內共生起源學說葉綠體起源于細胞內共生的藍藻： Mereschkowsky，1905年Margulis，1970年：線粒體的祖先-原線粒體是一種革蘭氏陰性細菌：葉綠體的祖先是原核生物的藍細菌（Cyanobacteria），即藍藻。內共生起源學說的主要論據：不足之處內共生起源學說的主要論據基因組在大小、形態和結構方面與細菌相似。有自己完整的蛋白質合成系統，能獨立合成蛋白質，蛋白質合成機制有很多類似細菌而不同于真核生物。兩層被膜有不同的進化來源，外膜與細胞的內膜系統相似，內膜與細菌質膜相似。以分裂的方式進行繁殖，與細菌的繁殖方式相同。能在異源細胞內長期生存，說明線粒體和葉綠

12、體具有的自主性與共生性的特征。線粒體的祖先很可能來自反硝化副球菌或紫色非硫光合細菌。發現介于胞內共生藍藻與葉綠體之間的結構-藍小體，其特征在很多方面可作為原始藍藻向葉綠體演化的佐證。不足之處從進化角度，如何解釋在代謝上明顯占優勢的共生體反而將大量的遺傳信息轉移到宿主細胞中？不能解釋細胞核是如何進化來的，即原核細胞如何演化為真核細胞？線粒體和葉綠體的基因組中存在內含子，而真細菌原核生物基因組中不存在內含子，如果同意內共生起源學說的觀點，那么線粒體和葉綠體基因組中的內含子從何發生？非共生起源學說主要內容：真核細胞的前身是一個進化上比較高等的好氧細菌。成功之處：解釋了真核細胞核被膜的形成與演化的漸進過程。不足之處不足之處實驗證據不多無法解釋為何線粒體、葉綠體與細菌在DNA分 子結構和蛋白質合成性能上有那么多相似之處對線粒體和葉綠體的DNA酶、RNA酶和核糖體的來源也很難解釋。真核細胞的細胞核能否起源于細菌的核區？線粒體主要酶的分布部位酶的名稱部位酶的名稱外膜單胺氧化酶NADH-細胞色素C還原酶犬尿酸氧化酶?；o酶A合成酶膜間隙腺苷酸激酶二磷酸激酶核苷酸激酶內膜細胞色素氧化酶ATP合成酶系琥珀酸脫氧酶-羥丁